Microgrid энергия сақтау жүйесі күн панельдері немесе жел турбиналары сияқты бөлінген көздерден өндірілген артық электр энергиясын сақтайды, содан кейін бұл қуатты өндіріс төмендегенде немесе сұраныс артқанда шығарады. Жүйе қуатты түрлендіру жабдығына қосылған батарея қорлары (әдетте литий{1}}ионы) және зарядтау, разрядтау және микротор, сақтау және негізгі желі арасындағы қуат ағынын басқаратын интеллектуалды контроллер арқылы жұмыс істейді.
Microgrid энергия сақтау жүйесінің негізгі компоненттері
Әрбір микро тордың энергия сақтау жүйесі электр қуатын алу, сақтау және тарату үшін бірге жұмыс істейтін төрт негізгі элементтен тұрады.
Батарея қуатын сақтау жүйесі (BESS) операцияның негізін құрайды. Литий-иондық аккумуляторлар нарықта үстемдік етеді, себебі олар қорғасын қышқылды батареяларға қарағанда 5-6 есе көп қуат тығыздығын ұсынады және сыйымдылығы 80%-ға дейін төмендегенге дейін 3000-4000 зарядтау циклін аяқтай алады. Салыстырмалы түрде алғанда, қорғасын қышқылды аккумуляторлар{14}}50%-ға дейін төмендегенге дейін 400-500 циклды ғана басқарады. Кәдімгі коммуналдық масштабтағы жүйе кішігірім қондырғылар үшін 300 кВт/386 кВт/сағаттан бірнеше мегаватт-сағ сақтау сыйымдылығы бар бірнеше мегаваттқа дейін болуы мүмкін.
Батареяны басқару жүйесі (BMS) жеке ұяшық кернеулерін, температураларды және бүкіл батарея қорындағы заряд күйін бақылайды. Бұл шамадан тыс зарядтауды болдырмайды, ұяшықтарды теңестіруді басқарады және термиялық қашудан қорғайды. Температураны бақылау өте маңызды{2}}литий-иондық батареялар Фаренгейттің 40-110 градус аралығында жақсы жұмыс істейді, бұл көптеген қондырғыларда белсенді салқындату немесе жылыту жүйелерін қажет етеді.
Қуатты түрлендіру жүйелері тұрақты ток аккумуляторын сақтау мен айнымалы ток желісінің қуаты арасындағы алшақтықты өтейді. Батареялар энергияны тұрақты ток ретінде сақтайтындықтан, бірақ торлардың көпшілігі айнымалы токпен жұмыс істейтіндіктен, екі бағытты инверторлар түрлендіруді екі бағытта да басқарады. Бұл инверторлар сонымен қатар кернеуді реттеу және жиілікті тұрақтандыру сияқты қуат сапасының параметрлерін басқарады.
Энергияны басқару жүйесі (EMS) орталық ми қызметін атқарады,{0}}энергия ағыны туралы нақты уақытта шешім қабылдайды. EMS арқылы бөлінген энергия ресурстары, сақтау жүйесі және негізгі желі ауытқуларды тұрақтандыру, жергілікті таратуды қамтамасыз ету және тасымалдау шығындарын болдырмау үшін бірлесіп басқарылады. Бұл бағдарламалық құрал жүйе өнімділігін оңтайландыру үшін генерация болжамдарын, жүктеме болжамдарын, электр қуатының бағасын және батарея күйін үздіксіз талдайды.
Жүйе арқылы энергия қалай ағып жатыр
Микрожелілік энергияны сақтау жүйесіндегі зарядтау және разрядтау циклі әртүрлі уақыт шкалаларында жұмыс істейтін иерархиялық басқару жүйелерімен басқарылатын үйлестірілген процестен кейін жүреді.
Зарядтау кезеңдерінде, күн панельдері жергілікті жүктемелерден көбірек электр қуатын өндіргенде немесе жұмыс күшінің -пайда болған уақытта электр желісінің бағасы төмендегенде, EMS артық қуатты батарея қорына бағыттайды. Қуатты түрлендіру жүйесі генераторлардан немесе желіден айнымалы ток қуатын батареяны зарядтауға жарамды тұрақты токқа түрлендіреді. Әртүрлі қуаттағы бірнеше энергия сақтау құрылғылары қол жетімді болғанда, жүйе олардың зарядтауын үйлестіреді, осылайша шағын құрылғылар зарядтау күйіне байланысты үлкенірек құрылғылардың алдында толық зарядталмайды.
Ағызу процесі бұл ағынды кері қайтарады. Күн жүйелері үшін күн батқаннан кейін-жаңартылатын энергияның өндірісі төмендегенде немесе электр қуатына сұраныс ең жоғары болғанда, контроллер жинақталған энергияны босату үшін батареяларға сигнал береді. Инвертор тұрақты ток батареясының қуатын электр желісінің кернеуі мен жиілігіне қойылатын талаптарға сәйкес айнымалы токқа түрлендіреді. BESS энергияны электр желісіне шамамен екі секундта ағызуды бастай алады, бұл қазба отын генераторлары сәйкес келмейтін жылдам әрекетті қамтамасыз етеді.
Қуат ағыны әрқашан сызықты емес. Торға{1}}қосылған режимде микротор бір уақытта негізгі желіден қуат алады, жергілікті көздерден өндіре алады, батареяларды зарядтайды, батареяларды зарядсыздандырады және жергілікті жүктемелерге қызмет ете алады-оның барлығы оңтайландыру алгоритмі сол сәтте ең үнемді немесе сенімді деп анықтайтын нәрсеге негізделген.
Үш{0}}деңгейлі басқару архитектурасы
Тиісті түрде жобаланған микрожелілік энергияны сақтау жүйесі бастапқы, қайталама және үшінші деңгейлері біртіндеп баяу уақыт ауқымында жұмыс істейтін иерархиялық басқару құрылымын пайдаланады.
Бастапқы басқару миллисекундтарда жұмыс істейді, микротор ішінде кернеу мен жиілікті тұрақтандырады. Бұл қабат бұлттылық салдарынан үлкен жүктеме кенет қосылғанда немесе күн панелінің шығысы төмендегенде, жүйе қуат сапасын сақтау үшін бірден жауап береді. Бастапқы басқару элементі сонымен қатар белсенді және реактивті қуаттың бірнеше бөлінген энергия ресурстары арасында олардың арасындағы байланысты қажет етпестен бөлісу жолын басқарады.
Екінші бақылау орталықтандырылған супервайзер ретінде әрекет ететін секундтан{1}}минутқа дейінгі уақыт шкаласында жұмыс істейді. Ол микротордың кернеуі мен жиілігін қалпына келтіреді және жүктемелердің немесе жаңартылатын көздердің өзгеруінен туындаған ауытқуларды өтейді. Бұл деңгей бастапқы басқару толық шеше алмайтын кез келген ауытқуды түзетеді және сыни қосылым нүктелеріндегі кернеуді теңестіру сияқты қуат сапасының арнайы талаптарын қанағаттандыру үшін жобалануы мүмкін.
Үшiншiлiк бақылау экономиканы оңтайландыруға және желiлердiң өзара әрекеттесуiне назар аудара отырып, минуттардан сағатқа дейiн жұмыс iстейдi. Бұл деңгей көбінесе экономикалық үнемдеуге қол жеткізетін генераторды жіберу жоспарын жасау үшін ауа-райын, желі тарифін және келесі сағаттардағы немесе күндегі жүктемелерді болжауды қамтиды. Мысалы, ол электр қуаты $0,03/кВтсағ болғанда батареяларды түнгі сағат 2-де зарядтау және тарифтер $0,35/кВт/сағ болған кезде 18:00-де зарядсыздандыру үнемдеуді барынша арттыратынын анықтауы мүмкін.
Жұмыс режимдері: тор-байланысқан және арал
Microgrid энергия сақтау жүйелері әр түрлі басқару стратегиялары мен мақсаттары бар екі түбегейлі әртүрлі режимде жұмыс істейді.
Торға{0}}қосылған режимде микротор жалпы байланыс нүктесі (PCC) арқылы негізгі қызметтік желімен синхрондалған күйде қалады. Мұнда сақтау жүйесі бірнеше мән ағындарын қамтамасыз етеді. Қымбат коммуналдық төлемдерді азайту үшін-сұраныс жоғары кезеңдерінде разрядтау арқылы ең жоғары қырынуды орындайды. Сондай-ақ, BESS микроторды -коммуналдық қызмет үзілгенде немесе микротор арқылы өндірілетін энергияның уақытша төмендеуінде серпімді ете алады, BESS маңызды жүктемелерді қолдау үшін бірден дерлік желіге қосыла алады. Жүйе сонымен қатар желідегі сұраныс пен ұсынысты теңестіруге көмектесу үшін коммуналдық қызметке жиілікті реттеу қызметтерін ұсына алады, жылдам зарядтау және разрядтау.
Арал режимі микротор әдейі немесе үзіліс салдарынан негізгі желіден ажыратылғанда іске қосылады. Микротор электр желісінен ажыратылғанда және дербес жұмыс істегенде, бөлінген энергия шығысы қоршаған орта факторларына байланысты өзгереді және жүктемелер үшін тұрақты өнімді қамтамасыз ете алмайды. Сақтау бұл олқылықтарды жою үшін маңызды болып табылады. Басқару жүйесі генерацияны, жүктемені және батарея зарядының күйін сыртқы қолдаусыз мұқият теңестіруі керек. Ұзартылған қондыру кезінде батареялар таусылатын болса, жүктемені азайту протоколдары маңызды қызметтерге арналған қуатты сақтау үшін-критикалық емес жүктемелерді автоматты түрде ажыратады.
Режимдер арасындағы ауысу күрделі басқаруды қажет етеді. Тордың бұзылуы анықталғанда, микрожелілік энергияны сақтау жүйесі циклдар ішінде ажыратылып, өзінің тұрақты кернеуі мен жиілік анықтамасын қалыптастырып, соңғы пайдаланушыларға айтарлықтай үзіліссіз-жүктемелерге қызмет көрсетуді үздіксіз жалғастыруы керек.
Нақты-Әлемдік енгізу мысалдары
Нақты орналастыруларды қарастыру теорияның нақты өнімділік көрсеткіштерімен тәжірибеге қалай ауысатынын көрсетеді.
Enel X 400 кВт фотоэлектрлік күн жүйесін, 300 кВт/1,2 МВт/сағ қуат қоймасын және 400 кВт отын ұяшығын біріктіретін Бруклиннің Браунсвилл аймағындағы 625-бірлік тұрғын үй кешеніне микро желілік энергия сақтау жүйесін орнатты. Бұл конфигурация күн сәулесінің өзін-өзі тұтынуы және сұранысты басқару арқылы электр энергиясының шығындарын азайта отырып, желі үзілістері кезінде кешенге тұрақты қуат береді.
Кеңірек ауқымда, Enel X компаниясының Пуэрто-Рикодағы Лас-Педрас қаласындағы Eaton Electrical зауытына арналған күн-плюс-қойма микросеттері шамамен 5 МВт күн фотоэлектрлік энергиясын және шамамен 1,1 МВт/2,2 МВт/сағ батареяны біріктіреді. Сақтаудың айтарлықтай сыйымдылығы нысанға күн энергиясын өндіруді күндізгі өндіріс шыңдарынан кешкі сұраныс кезеңдеріне ауыстыруға мүмкіндік береді.
NREL қолда бар қуат пен қуаттың сәйкес балансын қамтамасыз ету үшін конфигурацияланған литий-ионын, никель-кадмийді және қорғасын қышқылды аккумуляторларды қолданатын үш деңгейлі, 300-кВт/386-кВт-байланған жүйені әзірлеуге қолдау көрсетті. Бұл көп{8}}химиялық тәсіл әртүрлі батарея технологияларының бір-бірін қуат тығыздығы бойынша-литий-ионын, арзан қуат үшін қорғасын қышқылын және температураға төзімділік үшін никель-кадмийді қалай толықтыра алатынын көрсетеді.
2024 жылы жалпы қуаттылығы 241 МВт болатын 59 жаңа шағын желі іске қосылды, энергия сақтау микроторлары қосымша 19,5 МВт немесе 33,2 МВт сағ. Америка Құрама Штаттары тек 2024 жылы ғана 11,9 ГВт аккумуляторлық қуат қоймасын орнатты, нарық 2025 жылы 18,2 ГВт жаңа желілік қондырғылар-жетеді деп болжануда.
Негізгі операциялық функциялар
Микротордың энергия сақтау жүйесі қазіргі микроторларды қарапайым резервтік генераторлардан ерекшелейтін үш маңызды рөлді орындайды.
Энергетикалық арбитраж және жүктемені ауыстыру негізгі экономикалық функцияны білдіреді. Батареяларды -ең көп жұмыс істейтін сағаттарда (әдетте түнде) зарядтау және ең көп уақыттарда (әдетте түстен кейін және кешке) жинақталған энергияны пайдалану арқылы жүйелер электр қуатының шығындарын айтарлықтай азайтады, көптеген үй иелері ай сайынғы қуат төлемін 30-50% үнемдейді. Коммерциялық микроторлар пайдалану уақытының-құрылымдарын одан да агрессивті түрде пайдаланады, кейде сұраныс төлемдерінің 60-70%-ға төмендеуіне қол жеткізеді.
Қуат сапасын басқару кернеу мен жиіліктің тұрақтылығын қарастырады. Энергияны сақтау қуатын түрлендіру жүйесін басқару арқылы жүйе кернеудің төмендеуі мен төмендеуін шешу кезінде микроторға белсенді және реактивті қуат шығысын реттейді. Үлкен қозғалтқыш іске қосылып, кернеудің лезде төмендеуін тудырғанда, сақтау жүйесі өтемақы үшін миллисекунд ішінде реактивті қуатты енгізеді. Бұл жабдықтың зақымдалуын және процестің үзілуін болдырмайды.
Жаңартылатын энергия көздерін тегістеу күн мен жел генерациясының проблемалық өзгермелілігін жояды. Күн массивінің үстінен өтетін бұлт секунд ішінде өнімділіктің 80% төмендеуіне әкелуі мүмкін. Сақтау болмаса, бұл қатты кернеу мен жиілік экскурсияларына әкеледі. Энергияны сақтау жүйесі бөлінген энергияның ауытқуын тұрақтандырады, тұрақты өндіруді қамтамасыз етеді және жаңартылатын генерацияны жергілікті таратуға мүмкіндік береді. Сақтау жоғары жаңартылатын өндіру кезінде зарядталады және жүктемелер мен желіге тұрақты қуат профилін ұсынатын тоқырау кезінде разрядтар.
Техникалық қиындықтар мен шешімдер
Дәлелденген артықшылықтарға қарамастан, микрожелілік энергияны сақтау жүйесін енгізу операторлар шешуі керек бірнеше инженерлік қиындықтарға тап болады.
Батареяның тозуы уақыт өте келе сыйымдылыққа да, қауіпсіздікке де әсер етеді. Сапалы литий батареяларының көпшілігі бастапқы сыйымдылықтың 80% дейін төмендегенге дейін орташа есеппен 4000 циклды құрайды. Күніне бір толық циклде бұл шамамен 11 жыл жұмыс істейді. Дегенмен, терең разрядтар мен жоғары температура деградацияны тездетеді. Smart EMS алгоритмдері енді кернеуді азайту үшін зарядтау үлгілерін оңтайландырады{8}}мысалы, қалыпты жұмыс кезінде батареяларды 20-80% заряд күйінде ұстау және төтенше жағдайлар үшін толық сыйымдылықты сақтау.
Басқару күрделілігі жүйе өлшеміне және бөлінген ресурстар санына байланысты экспоненциалды түрде артады. Бірнеше күн массивтері, жел турбиналары, генераторлары және батареялары бар микротор ондаған инверторлар мен контроллерлерді үйлестіруді қажет етеді. Өте кішкентай микроторлар кейде бір ғимаратқа қызмет еткенде наногридтер деп аталады, ал бірнеше наногридтердің өзара қосылуы жеке жүйелер арасында қуат алмасуды жеңілдететін желіні құрайды. Бұл кластерлік әдіс иерархияларды жасау арқылы басқаруды жеңілдетеді, онда жергілікті контроллерлер жеке наногридтерді басқарады және орталық супервайзер наногридаралық қуат ағындарын-үйлестіреді.
Батарея бағасының төмендеуіне қарамастан, құны айтарлықтай кедергі болып қала береді. 2018 жылы NREL зерттеуі Құрлықтық Құрама Штаттардағы микро торларды дамыту үшін орташа есеппен бір мегаватқа 2-5 миллион доллар тұратынын анықтады. Дегенмен, микро торлар нарығына арналған жаһандық энергияны сақтау 2024-2028 жылдар аралығында 2,1 миллиард долларға жетеді деп күтілуде, бұл 22,79% CAGR деңгейінде кеңейіп, ауқымды экономиканы ынталандырады. Microgrid Service Agreements сияқты қаржыландыру үлгілері енді ұйымдарға нөлдік бастапқы капиталы бар жүйелерді орналастыруға мүмкіндік береді.
Дамушы технологиялар және болашақ әзірлемелер
Микротордың энергия сақтау жүйесінің ландшафты дәстүрлі литий{0}}иондық жүйелерден асып түсуде.
Батареяның балама химиялары нақты қолданбалар үшін тартымдылыққа ие болуда. 2024 жылға қарай литий темір фосфаты (LFP) батареялары жоғары құрамдас бөліктердің қолжетімділігі, ұзақ қызмет ету мерзімі және никельге негізделген литий-химияларымен салыстырғанда жоғары қауіпсіздік -негізінен үлкен көлемде сақтау үшін маңызды болды. Ағынды батареялар әртүрлі артықшылықтарды-іс жүзінде шектеусіз циклдік қызмет ету мерзімін және қуат пен қуат сыйымдылығын тәуелсіз масштабтауды-ұсынып, оларды ұзақ-ұзақтық сақтау қолданбалары үшін тартымды етеді.
Электрлік-сутегі-аммиакпен біріктірілген микроторлар әртүрлі уақыт шкалаларында өзгеретін электр қуатына сұранысқа бейімделетін энергия сақтаудың үш түрін пайдалану арқылы-сұраныс теңгерімсіздігін шешеді. Жоғарғы қабат аммиак сақтауға арналған апта сайынғы уақыт қадамдарымен жыл сайын жұмыс істейді, ал төменгі қабат сутегі мен электр қуаты үшін сағаттық қадамдармен апта сайын жұмыс істейді. Бұл көп{5}}уақытша әдіс тек батареялар үнемді түрде шеше алмайтын маусымдық өзгерістерді өңдейді.
Жасанды интеллектті оңтайландыру алдыңғы қатарлы микрожелілік энергия сақтау жүйелеріндегі энергияны басқаруды түрлендіру болып табылады. Машиналық оқыту алгоритмдері енді күн энергиясын, жүктеме үлгілерін және электр қуатының бағасын жоғары дәлдікпен болжайды, бұл күрделірек жіберу стратегияларына мүмкіндік береді. Жетілдірілген әдістер тереңдетілген оқыту, тарихи деректерге және нақты уақыт- кері байланыс негізінде өнімділікті үздіксіз жақсарту сияқты машиналық оқытуды пайдалана отырып, микроторды -соңғы-басқаруды қамтамасыз ете алады.
Жиі қойылатын сұрақтар
Микротор тек батареяда қанша уақыт жұмыс істей алады?
Жұмыс уақыты батарея сыйымдылығына және жүктеме сұранысына байланысты. 10-15 кВт/сағ сақтауы бар типтік тұрғын үй микросеттерінің энергия сақтау жүйесі маңызды жүктемелерді 4-8 сағат бойы қуаттай алады. Браунсвиллдегі 300 кВт/1,2 МВт/сағ қондырғы сияқты үлкенірек жүйелер 4 сағат толық қуатпен қамтамасыз ете алады немесе тек маңызды жүктемелерге қызмет еткенде 12+ сағатқа дейін ұзарады. Коммерциялық жүйелер көбінесе ең жоғары жүктеме кезінде 2-4 сағатқа өлшенеді, бірақ кейбір маңызды нысандар 8-24 сағат резервтік көшірме жасауды көрсетеді.
Күн энергиясын жоғары өндіру кезінде батареялар толық зарядталғанда не болады?
EMS бірнеше опциясы бар: желіге-қосылса және желілік есептеу қол жетімді болса, артық қуатты негізгі желіге экспорттау, күн батареяларын немесе жел турбиналарын ажырату арқылы жаңартылатын энергия өндіруді қысқарту немесе артықты тұтыну үшін суды жылыту немесе HVAC алдын ала салқындату-салқындату сияқты икемді жүктемелерді ауыстыру. Төмен жүктеме кезеңдерінде энергия сақтау жүйесі ең жоғары сұраныс кезінде босату үшін бөлінген энергия ресурстарынан артық қуатты сақтайды.
Энергияны сақтау коммерциялық тұтынушылар үшін сұраныс төлемдерін азайта ала ма?
Иә, бұл ең құнды қолданбалардың бірі. Сұраныс төлемдері көбінесе коммерциялық электр энергиясы шотының 30-70%-ын құрайтын есеп айырысу кезеңінде ең жоғары қуат тұтынуына негізделген. Сақтау жүйелері қуат тұтынуды қадағалайды және тұтыну бар шыңға жақындаған сайын жинақталған энергияны енгізіп, сұраныс профилін тегіс «қырайды». Тіпті ең жоғары сұранысты 20-30% төмендететін қарапайым аккумулятор жүйесі ірі коммерциялық шоттарды айтарлықтай үнемдеуге мүмкіндік береді.
Жүйе үлкен батарея жинақтарымен қауіпсіздікті қалай сақтайды?
Қорғаныстың бірнеше қабаттары батарея жұмысын бақылайды және басқарады. BMS әрбір ұяшықтағы кернеуді, токты және температураны қауіпсіз шектеулерге сәйкес үздіксіз тексереді. Кез келген параметр шекті мәндерден асып кетсе, жүйе зарядтауды немесе зарядсыздандыруды дереу тоқтатады. Физикалық қорғанысқа қызып кетудің алдын алу үшін жылуды басқару жүйелері, газдың шығуына арналған жарылыстан қорғалған желдету-, өрт сөндіру жүйелері және батареяларды барлық сыртқы қосылымдардан ажырата алатын оқшаулау қосқыштары кіреді. BESS ақаулары көбінесе басқару элементтері мен жүйелік жабдықтың теңгерімінде болды, ал тек 11% ұяшықтардың өзінде болды.
Энергияны сақтауды біріктіру микроторларды қарапайым резервтік жүйелерден сенімділік, үнемділік және қоршаған ортаға пайда әкелетін күрделі платформаларға айналдырады. Батарея құнының төмендеуі жалғасуда және басқару жүйелері интеллектуалды өсуде, тұрғын үй, коммерциялық және коммуналдық секторлардағы микрогридтік энергияны сақтау жүйелерін жылдам қабылдауды күтіңіз. Технология тәжірибелік қондырғылардан бүкіл әлем бойынша миллиондаған адамдарға қызмет көрсететін дәлелденген инфрақұрылымға дейін жетілді, нарықтың өсу болжамдары осы траекторияны 2030 жылға дейін және одан кейін растайды.